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伺服電機(jī)選型之慣量匹配

2016-9-9 16:45:31      點擊:

      在伺服系統(tǒng)選型及調(diào)試中,常會碰到慣量問題。
  其具體表現(xiàn)為:
  在伺服系統(tǒng)選型時,除考慮電機(jī)的扭矩和額定速度等等因素外,我們還需要先計算得知機(jī)械系統(tǒng)換算到電機(jī)軸的慣量,再根據(jù)機(jī)械的實際動作要求及加工件質(zhì)量要求來具體選擇具有合適慣量大小的電機(jī);在調(diào)試時,正確設(shè)定慣量比參數(shù)是充分發(fā)揮機(jī)械及伺服系統(tǒng)最佳效能的前提。此點在要求高速高精度的系統(tǒng)上表現(xiàn)尤為突出,這樣,就有了慣量匹配的問題。
  
   一、什么是慣量匹配
   1、根據(jù)牛頓第二定律:進(jìn)給系統(tǒng)所需力矩T = 系統(tǒng)傳動慣量J × 角加速度θ。 加速度θ影響系統(tǒng)的動態(tài)特性,θ越小,則由控制器發(fā)出指令到系統(tǒng)執(zhí)行完畢的時間越長,系統(tǒng)反應(yīng)越慢。如果θ變化,則系統(tǒng)反應(yīng)將忽快忽慢,影響加工精度。由于馬達(dá)選定后最大輸出T值不變,如果希望θ的變化小,則J應(yīng)該盡量小。 2、進(jìn)給軸的總慣量“J=伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣性動量JM + 電機(jī)軸換算的負(fù)載慣性動量JL。負(fù)載慣量JL由(以平面金切機(jī)床為例)工作臺及上面裝的夾具和工件、螺桿、聯(lián)軸器等直線和旋轉(zhuǎn)運動件的慣量折合到馬達(dá)軸上的慣量組成。 JM為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量,伺服電機(jī)選定后,此值就為定值,而JL則隨工件等負(fù)載改變而變化。如果希望J變化率小些,則最好使JL所占比例小些。這就是通俗意義上的慣量匹配
  
   二、慣量匹配如何確定?
   傳動慣量對伺服系統(tǒng)的精度,穩(wěn)定性,動態(tài)響應(yīng)都有影響。 慣量大,系統(tǒng)的機(jī)械常數(shù)大,響應(yīng)慢,會使系統(tǒng)的固有頻率下降,容易產(chǎn)生諧振,因而限制了伺服帶寬,影響了伺服精度和響應(yīng)速度,慣量的適當(dāng)增大只有在改善低速爬行時有利,因此,機(jī)械設(shè)計時在不影響系統(tǒng)剛度的條件下,應(yīng)盡量減小慣量。
   衡量機(jī)械系統(tǒng)的動態(tài)特性時,慣量越小,系統(tǒng)的動態(tài)特性反應(yīng)越好;慣量越大,馬達(dá)的負(fù)載也就越大,越難控制,但機(jī)械系統(tǒng)的慣量需和馬達(dá)慣量相匹配才行。 不同的機(jī)構(gòu),對慣量匹配原則有不同的選擇,且有不同的作用表現(xiàn)。 不同的機(jī)構(gòu)動作及加工質(zhì)量要求對JLJM大小關(guān)系有不同的要求,但大多要求JLJM的比值小于十以內(nèi)。一句話,慣性匹配的確定需要根據(jù)機(jī)械的工藝特點及加工質(zhì)量要求來確定。 對于基礎(chǔ)金屬切削機(jī)床,對于伺服電機(jī)來說,一般負(fù)載慣量建議應(yīng)小于電機(jī)慣量的5倍。
   慣量匹配對于電機(jī)選型很重要的,同樣功率的電機(jī),有些品牌有分輕慣量,中慣量,或大慣量。其實負(fù)載慣量最好還是用公式計算出來。常見的形體慣量計算公式在以前學(xué)的書里都有現(xiàn)成的(可以去查機(jī)械設(shè)計手冊)。 我們曾經(jīng)做過一試驗,在一伺服電機(jī)的軸伸,加一大的慣量盤準(zhǔn)備用來做測試,結(jié)果是:伺服電機(jī)低速時停不住,搖頭擺尾,不停地振蕩怎么也停不下來。 后來改為:在兩個伺服電機(jī)的軸伸對接加裝聯(lián)軸器,對其中一個伺服電機(jī)通電,作為動力即主動,另一個伺服電機(jī)作為從動,即做為一個小負(fù)載。原來那個搖頭擺尾的伺服電機(jī),啟動、運動、停止,運轉(zhuǎn)一切正常!
  
  三、慣量的理論計算的功式?
   慣量計算都有公式,至于多重負(fù)載,比如齒輪又帶齒輪,或渦輪蝸桿傳動,只要分別算出各轉(zhuǎn)動件慣量然后相加即是系統(tǒng)慣量,電機(jī)選型時建議根椐不同的電機(jī)進(jìn)行選配。 負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量肯定是要設(shè)計時通過計算算出來拉,如果沒有這個值,電機(jī)選型肯定是不那么合理的,或者肯定會有問題的,這是選伺服的最重要的幾個參數(shù)之一。至于電機(jī)慣量,電機(jī)樣本手冊上都有標(biāo)注。 當(dāng)然,對某些伺服,可以通過調(diào)整伺服的過程測出負(fù)載的慣量,作為理論設(shè)計中的計算的參考。畢竟在設(shè)計階段,很多類似摩擦系數(shù)之類的參數(shù)只能根據(jù)經(jīng)驗來猜,不可能準(zhǔn)確。 理論設(shè)計中的計算的公式:(僅供參考) 通常將轉(zhuǎn)動慣量J用飛輪矩GD2來表示,它們之間的關(guān)系為
   J=mp^2= GD^2/4g
   式中 mG-轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量(kg)與重量(N);
   與D-慣性半徑與直徑(m);
   g=9.81m/s2 -重力加速度
   飛輪慣量=速度變化率*飛輪距/375
   當(dāng)然,理論與實際總會有偏差的,有些地區(qū)(如在歐洲),一般是采用中間值通過實際測試得到。這樣,相對我們的經(jīng)驗公式要準(zhǔn)確一些。不過,在目前還是需要計算的,也有固定公式可以去查機(jī)械設(shè)計手冊的。
  
   四、關(guān)于摩擦系數(shù)?
  關(guān)于摩擦系數(shù),一般電機(jī)選擇只是考慮一個系數(shù)加到計算過程中,在電機(jī)調(diào)整時通常都不會考慮。不過,如果這個因素很大,或者講,足以影響電機(jī)調(diào)整,有些日系通用伺服,據(jù)稱有一個參數(shù)是用來專門測試的,至于是否好用,本人沒有用過,估計應(yīng)該是好用的。 有網(wǎng)友發(fā)貼說,曾有人發(fā)生過這樣的情況:設(shè)計時照搬國外的機(jī)器,機(jī)械部分號稱一樣,電機(jī)功率放大了50%選型,可是電機(jī)轉(zhuǎn)不動。因為樣機(jī)的機(jī)械加工、裝配的精度太差,負(fù)載慣量是差不多,可摩擦阻力相差太多了,對具體工況考慮不周。 當(dāng)然,黏性阻尼和摩擦系數(shù)不是同一個問題。 摩擦系數(shù)是不變值,這點可以通過電機(jī)功率給予補(bǔ)償,但黏性阻尼是變值,通過增大電機(jī)功率當(dāng)然可以緩解,但其實是不合理的。況且沒有設(shè)計依據(jù),這個最好是在機(jī)械狀態(tài)上解決,沒有好的機(jī)械狀態(tài),伺服調(diào)整完全是一句空話。 還有,黏性阻尼跟機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工、裝配等相關(guān),這些在選型時是必須考慮的。而且跟摩擦系數(shù)也是息息相關(guān)的,正是因為加工水平不夠才造成的摩擦系數(shù)不定,不同點相差較大,甚至技術(shù)工人裝配水平的差異也會導(dǎo)致很大的差異,這些在電機(jī)選型時必須要考慮的。這樣,才會有保險系數(shù),當(dāng)然歸根結(jié)底還是電機(jī)功率的問題。
  
   五、慣量的理論計算后,微調(diào)修正的簡單化
   可能有些朋友覺的:太復(fù)雜了! 實際情況是,某品牌的產(chǎn)品各種各樣的參數(shù)已經(jīng)確定,在滿足功率,轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)速的條件下,產(chǎn)品型號已經(jīng)確定,如果慣量仍然不能滿足,能否將功率提高一檔來滿足慣量的要求?
  答案是:功率提高可以帶動加速度提高的話,應(yīng)是可以的。

   六、伺服電機(jī)選型

在選擇好機(jī)械傳動方案以后,就必須對伺服電機(jī)的型號和大小進(jìn)行選擇和確認(rèn)。
1)選型條件:一般情況下,選擇伺服電機(jī)需滿足下列情況:
1.
馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速>系統(tǒng)所需之最高移動轉(zhuǎn)速。
2.
馬達(dá)的轉(zhuǎn)子慣量與負(fù)載慣量相匹配。
3
連續(xù)負(fù)載工作扭力馬達(dá)額定扭力
4.
馬達(dá)最大輸出扭力>系統(tǒng)所需最大扭力(加速時扭力)
2)選型計算:
1.
慣量匹配計算(JL/JM
2.
回轉(zhuǎn)速度計算(負(fù)載端轉(zhuǎn)速,馬達(dá)端轉(zhuǎn)速)
3.
負(fù)載扭矩計算(連續(xù)負(fù)載工作扭矩,加速時扭矩)

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